高分子导论结构层次优秀PPT.ppt

高分子导论结构层次第一页，本课件共有51页主要参考书：主要参考书：高分子物理，何曼君等著，复旦大学出版社，1990年。高聚物结构与性能(第二版)，马德柱等著，科学出版社，1995年。现代高分子物理学，殷敬华，莫志深主编，科学出版社，2001年。The Chemistry and Physics,G.LEIB,MIR Publishers Moscow,1990 高分子物理（中/英文），方征平，宋义虎，沈烈编著，浙江大学出版社，2005第二页，本课件共有51页8.1 绪论绪论 Introduction高分子（聚合物；高聚物）的特征The characteristic of polymer聚合物的结构和性能 The structure and properties of polymer教学目的The educative purpose第三页，本课件共有51页高分子结构的主要特点 The structural characteristic of polymer 1.高分子是由很大数目的重复结构单元组成，它们以共价键相连。每一结构单元相当一个小分子，这些结构单元可以是一种(均聚物)，也可以是几种(共聚物)，它们以共价键相连接，形成线型分子、支化分子、网状分子等。Polymer is substances whose molecules consist of structural units repeating many times.Every structural units corresponds to a small molecules and one polymer molecule may include one,tow and sometimes three or more different repeating structure units.The structural units are combined by covalent bond and become to linear,branched or network polymer.第四页，本课件共有51页2.一般高分子主链都有一定的内旋转自由度，使高分子链具有柔性。Polymer have certain inner rotation characteristic and this result in that the macromolecule chain has flexibility3.高分子结构的不均一性是一个显著特点。即使是相同条件下的反应产物，各个分子的分子量、单体单元的键合顺序、空间构型的规整性、支化度、交联度以及共聚物的组成及序列结构等都存在或多或少的差异。Inhomogeneity of polymer structure is marked characteristic.Even if reaction condition is same,the compounds may be isomeric,i.e.molecular-weight,arrangement of structure units in space,branched,cross-linked,component of copolymer and sequence have some difference第五页，本课件共有51页4.高分子的分子间相互作用特别重要。The reciprocity between macromolecules is importance.5.高聚物的聚集态有晶态与非晶态之分。The assemble states of polymer are differentiate with crystal and no-crystal6.要使高聚物加工成有用的材料，往往要在其中加入添料、各种助剂、颜料等。有时用两种或两种以上的高聚物共混改性，这些添加物与高聚物之间以及不同的高聚物之间是如何堆砌成整块高分子材料的，又存在者所谓织态结构问题织态结构也是决定高分子材料性能的重要因索。It need that the polymer are added to filler,dye and other agents to process into usable materials.Sometimes two or more different polymer will be blended to improve on properties.第六页，本课件共有51页高分子的结构高分子的结构The struacture of polymer高分子链内结高分子链内结 (structure of the chain):近程结构近程结构(short range structure)远程结构远程结构(long-distance structure)高分子链间结构高分子链间结构 (structure between chains):晶态结构晶态结构(crystal structure)非晶结构非晶结构(no-crystal structure)取向结构取向结构(tropism structure)织态结构织态结构(interlaced structure)第七页，本课件共有51页高聚物的性能高聚物的性能The properties of polymer 力学性能(mechanical properties)流变性能(rheology properties)电学性能(electricity properties)热学性能(calorifics properties)溶液性质(solution properties)第八页，本课件共有51页新时期新时期对高分子性能的要求对高分子性能的要求 The performance of new polymer materials能耐受更严酷条件高分子材料能耐受更严酷条件高分子材料polymer materials of resistant to asperity condition（耐超高温、超低温、超高电场等）(resistant to super high and low temperature,super high voltage)具有特定功能性的高分子材料具有特定功能性的高分子材料(polymer materials with special functionality)（导电功能、超导性能、分离功能、隐身功能以及各种能量转换功能等）(materials with the electric,superconduct,separate,screen and energy change functionality)生物高分子领域的应用与研究生物高分子领域的应用与研究Application and investigation on biologic macromolecules（生物高分子结构的研究及其人工合成、效仿自 然界天然高分子物质的形成过程等）(investigation and synthesize on the structure biologic macromolecules,simulation on forming process of nature macromolecules)第九页，本课件共有51页聚合物结构和性能的关系聚合物结构和性能的关系The relationship between structure and properties of polymer聚合物的结构structure聚合物性能properties 聚合物的分子运动Movement of molecules应用application聚合物加工process第十页，本课件共有51页高分子的分子设计高分子的分子设计*The molecules design老的研究方法老的研究方法conventional investigation method 1 高分子材料的合成高分子材料的合成Polymer synthesize 2 性能与结构研究性能与结构研究Investigation on properties and structure 3 加工方法和技术开发加工方法和技术开发Exploitation on process technology 4 寻找应用场合寻找应用场合Application investigation 高分子分子设计高分子分子设计the molecules design of macromolecules 1 使用场合使用场合 application domain 2 要求的使用性能要求的使用性能 the require for using properties 3 分子结构的设计分子结构的设计 the design of molecules structure 4 合成条件与方法研究合成条件与方法研究 investigation on method of synthesize 5 高分子材料的合成高分子材料的合成The synthesize of polymer materials第十一页，本课件共有51页本课程的教学目的本课程的教学目的 The educative purpose of the course了解高分子材料的结构和性能及两者之间的关系了解高分子材料的结构和性能及两者之间的关系Find out the relation between polymer structure and properties 培养对高分子科学的兴趣培养对高分子科学的兴趣Bring up interest for polymer science了解科学研究的思路和方法，初步建立高分子分子设计的思想，能够根据要求设了解科学研究的思路和方法，初步建立高分子分子设计的思想，能够根据要求设计高分子材计高分子材 料的改性方法和合成思路。料的改性方法和合成思路。Find out the method of polymer investigation实现高分子物理和高分子化学的融合和贯通实现高分子物理和高分子化学的融合和贯通Carry out digest of the polymer physics and chemistry第十二页，本课件共有51页8.2 高分子链的近程结构高分子链的近程结构8.2 the short range structure 高分子的近程结构又称为高分子的一级结构。主要指组成高分子高分子的近程结构又称为高分子的一级结构。主要指组成高分子的结构单元的：的结构单元的：the short range structure of polymer is called for the primary structure *化学组成化学组成 chemical component *键接方式键接方式 bond mode *支化、交联和端基支化、交联和端基 branched,cross-link and end group *空间构型空间构型 arrangement of structure units in space *序列结构（共聚物）序列结构（共聚物）sequence structure (copolymer)第十三页，本课件共有51页8.2.1 化学组成化学组成chemical component碳链高分子碳链高分子 carbon chain macromolecules 主链由主链由C原子以共价键联结原子以共价键联结 main chain with covalent bond of C atom 如：如：PE、PS、PP、PVC.for example PE、PS、PP、PVC.第十四页，本课件共有51页杂链高分子杂链高分子miscellaneous chain polymer 主链由二种或更多原子以共价键联结主链由二种或更多原子以共价键联结,主要是主要是C、O、N、S等原子等原子 main chain with covalent bond of two or more atom,namely C,O,N,S etc如：尼龙如：尼龙6、尼龙、尼龙66、PET等等 for example nylon 6,nylon 66 and PET etc.第十五页，本课件共有51页元素有机高分子元素有机高分子 element polymer 主链中含有主链中含有 Si、P、B 等无机元素的高分子链等无机元素的高分子链 main chain with inorganic element,namely Si,P,B etc 如：聚二甲基硅氧烷如：聚二甲基硅氧烷 silicone 第十六页，本课件共有51页8.2.2 键接方式键接方式 The bond mode （头（头头）联接头）联接 （头（头尾）联接尾）联接 link by mode of caput-caput link by mode of caput-cauda 不同键接方式的影响：不同键接方式的影响：effect of bond mode 高聚物结晶能力、力学性能、热稳定性能等高聚物结晶能力、力学性能、热稳定性能等 crystal capability mechanical properties,heat stability第十七页，本课件共有51页 1、2加成加成1,2 addition 3、4加成加成3,4 addition 1、4加成加成1,4 adition双烯类烯烃的加成聚合键接方式双烯类烯烃的加成聚合键接方式Bond mode of addition polymerization of double-alkene 第十八页，本课件共有51页8.2.3 支化、交联和端基支化、交联和端基 8.2.3 branch,cross-link and end group支化支化：影响：影响 结晶性、柔顺性、硬度、密度、熔点等结晶性、柔顺性、硬度、密度、熔点等 branch influence to crystal capability,facility,hardness,density,melting pint etc.短支链短支链规整性、结晶度、密度、熔点等规整性、结晶度、密度、熔点等 short branched chain influence to the tacticity,crystal degree,density,melting pint etc.长支链长支链主要影响溶解性能和熔体性能主要影响溶解性能和熔体性能 long branched chain influence to dissolve capability and fusibility 支链的化学结构支链的化学结构chemical structure of branched chain 支化结构的研究支化结构的研究 支链的长度支链的长度 length of branched chain investigation on 支链的数量（支化度）支链的数量（支化度）amount of branched chainbranched structure (branch degree)第十九页，本课件共有51页交联交联：不溶、不熔：不溶、不熔 cross-link:indiscerptible and infusible 强度强度、热稳定性提高、热稳定性提高 increasing tensile strength and heat stability 热固性树脂、硫化橡胶均为交联高分子材料热固性树脂、硫化橡胶均为交联高分子材料 thermal solidify rosin and vulcanizates are cross-link polymer 交联键的化学结构交联键的化学结构 chemical structure of cross-link bond 交联结构的研究交联结构的研究 交联键的长度交联键的长度 length of cross-link bondInvestigation on thestructure of cross-link 交联键的密度（交联度）交联键的密度（交联度）density of cross-link bond第二十页，本课件共有51页端基端基：使热稳定性和化学稳定性：使热稳定性和化学稳定性 End group result in decreasing heat stability and chemical stability 端基结构与主链的结构不同端基结构与主链的结构不同 the structure of end group and main chain are different 端基一般具有较大的化学活性端基一般具有较大的化学活性 the end group has chemical active 如：如：OH、COOH、COCl等等 For example OH,COOH and COCl etc.第二十一页，本课件共有51页8.2.4 空间构型（构型）空间构型（构型）8.2.4 space configuration构型构型：分子中由化学键所固定的原子在空间的排列，这种排列是热力学：分子中由化学键所固定的原子在空间的排列，这种排列是热力学 稳定的，要改变构型必需经过化学键断裂与重排。稳定的，要改变构型必需经过化学键断裂与重排。Configuration:the arrangement of atom in space,the atom were fixed on chain.This arrangement has thermodynamic stability,the bond will break or reset if it want to change the configuration.主要有：主要有：旋光异构旋光异构和和几何异构几何异构 Optical isomers and geometry isomer第二十二页，本课件共有51页旋光异构旋光异构 Optical isomers 存在于不对称的碳原子化合物，能形成互为镜影的两种异构体（右旋左旋）存在于不对称的碳原子化合物，能形成互为镜影的两种异构体（右旋左旋）Optical isomers consist in the compounds that contain anisomerous carbon atom and can form two isomers of mutual specular and image(dextrorotatory and levorotatory)全同立构全同立构：isotactic:高分高分子链全部由一种旋光异构单子链全部由一种旋光异构单元键接而成元键接而成间同立构间同立构syndiotactic:高高分子链由分子链由 两种旋光异构两种旋光异构单元交替键接而成单元交替键接而成无规立构无规立构：atactic:高分高分子链由两种旋光异构单元子链由两种旋光异构单元无规键接而成无规键接而成第二十三页，本课件共有51页旋光异构旋光异构 Optical isomers不同的旋光异构构型对高分子聚合物的不同的旋光异构构型对高分子聚合物的宏观性能有明显影响宏观性能有明显影响The effect of optical isomers configation on macroscopical properties of polymer全同立构全同立构 PP：isotactic PP 熔点熔点 melting point 165 C；密度密度 density0.92；crystalline plastic易结易结晶塑料晶塑料无规立构无规立构 PP：atactic PP 软化点软化点intenerate point 80 C；密度密度 density0.85；弹性体；弹性体elastomer第二十四页，本课件共有51页几何异构几何异构 geometry isomer取代基在双键两侧不同的排列方式（顺式反式）取代基在双键两侧不同的排列方式（顺式反式）arrangement of replace group in twain side of double bond(cis-and trans-)顺式聚异戊二烯（天然橡胶）：顺式聚异戊二烯（天然橡胶）：cis-polyisoprene(natural rubber)等周期等周期identity period:8.1A；分子易内旋转具有弹性分子易内旋转具有弹性molecules chain is easy to distortion and have elasticity；规整性差不易结晶规整性差不易结晶；熔融温度；熔融温度 30 C tacticity is low and difficult to crystal;melt temperature 30 C 第二十五页，本课件共有51页几何异构几何异构 geometry isomer取代基在双键两侧不同的排列方式（顺式反式）取代基在双键两侧不同的排列方式（顺式反式）arrangement of replace group in twain side of double bond(cis-and trans-)反式聚异戊二烯（古塔波胶）反式聚异戊二烯（古塔波胶）：trans-polyisoprene(Gutta percha )等周期为等周期为identity period 4.7A；分子不易内旋转无弹性分子不易内旋转无弹性；molecules chain is difficult to distortion and inelastic；规整性好较易结晶规整性好较易结晶；熔融温度；熔融温度 70 Ctacticity is high and easy to crystal;melt temperature 70 C第二十六页，本课件共有51页 8.2.5 序列结构（共聚物）序列结构（共聚物）sequence structure(copolymer)无规共聚：无规共聚：random copolymer AAAAAAABBBAABBBBBAAAAAAAAABBBAABBBBBAA交替共聚：交替共聚：alternating copolymer ABABABABABABABABABABABABABAB 嵌段共聚：嵌段共聚：block copolymer AAAABBBAAAABBBBBBBAAAABBBBAAAA 接枝共聚：接枝共聚：graft copolymer AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA第二十七页，本课件共有51页不同序列结构的特点不同序列结构的特点The characteristic of different sequence structure 无规、交替无规、交替random and alternating copolymerization changed reciprocity state of the structure units,so random and alternating copolymer is different to relevant homopolymer in properties.For example,PE and PP are plastics,but random copolymer of ethylene-propylene is ethylene propylene diene monomer(EPDM)改变了结构单元的相互作用状况，因此其性能与相应的均聚物有很大差别改变了结构单元的相互作用状况，因此其性能与相应的均聚物有很大差别,如：如：PE 和和 PP 均为塑料；乙烯丙烯的无规共聚物是乙丙橡胶均为塑料；乙烯丙烯的无规共聚物是乙丙橡胶嵌段、接枝嵌段、接枝block and graft copolymerization retained the structure characteristic of original homopolymer,so block and graft copolymer and relevant homopolymer have some relationship in properties.For example,HIPS(high resistant charge styrene)保留了部分原均聚物的结构特点，因而其性能与相应的均聚物有一定联系保留了部分原均聚物的结构特点，因而其性能与相应的均聚物有一定联系如：如：HIPS 高抗冲聚苯乙烯高抗冲聚苯乙烯第二十八页，本课件共有51页不同序列结构在共聚物中的应用不同序列结构在共聚物中的应用 The application of different sequence structure in copolymer ABS丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymer 腈基（腈基（CN）极性大、增强分子间相互作用，耐化学腐蚀性强、表面硬度高、强度大极性大、增强分子间相互作用，耐化学腐蚀性强、表面硬度高、强度大Nitrile group-high polarity;increasing the reciprocity force of betweenmolecules;resistant chemical causticity;high surface hardness;high tensile strength丁丁 二二 烯烯分子链柔顺性好提供聚合物的韧性分子链柔顺性好提供聚合物的韧性Butadiene-The facility of chain result in that polymer has better tenacity.苯苯 乙乙 烯烯高温流动性好，改善加工性能并使制品表面光洁度好高温流动性好，改善加工性能并使制品表面光洁度好Styrene-The fluidity at high temperature is better;improve process properties and increasing surface quality第二十九页，本课件共有51页不同序列结构在共聚物中的应用不同序列结构在共聚物中的应用 The application of different sequence structure in copolymer HIPS高抗冲聚苯乙烯高抗冲聚苯乙烯,丁二烯接枝聚苯乙烯丁二烯接枝聚苯乙烯-high resistant charge styrene(butadiene is grafted on polystyrene)SBS热塑弹性体热塑弹性体,苯乙烯苯乙烯-丁二烯丁二烯-苯乙烯三元嵌段共聚苯乙烯三元嵌段共聚-thermal plastic，block terpolymer of acrylonitrile-butadiene-styrene*It has elasticity as rubber in using and thermal plasticity in process *使用时为橡胶状弹性体使用时为橡胶状弹性体*加工时为热塑性的塑料状加工时为热塑性的塑料状第三十页，本课件共有51页SBS热塑弹性体热塑弹性体SBS-thermal plastic 第三十一页，本课件共有51页P277第三十二页，本课件共有51页高分子链的近程结构高分子链的近程结构（一级结构（一级结构）1)化学组成化学组成 chemical component2)键接方式键接方式bond mode3)支化、交联和端基支化、交联和端基branch,cross-link and end group4)空间构型空间构型:旋光异构，顺反异构旋光异构，顺反异构Arrangement of structure units in space:cistactic and transtactic5)序列结构：无规、交替、嵌段、接枝序列结构：无规、交替、嵌段、接枝共聚物共聚物sequence structure:random,alternating,block and graft copolymer高分子链的近程结构小结高分子链的近程结构小结The brief summary about the short range structure of chain第三十三页，本课件共有51页8.3 高分子链的远程结构高分子链的远程结构 The long-distance structure of polymer 远程结构（二级结构）的概念：整个高分子链的结构，包括高分子的大小、构象及链的柔顺性。The concept of long-distance structure is the structure of all chain,and include size,conformation and facility of chain.1、高分子的大小：分子量及分子量分布。Size of polmer:molecular weight and distributing.2、高分子链的内旋转构象:高斯链、自由结合链、自由旋转链、等效自由结合链（链段）。The conformation of chain:gaussian chain,free unite chain,free eddy chain and equivalent free unite chain3、高分子链的柔顺性。The facility of chain第三十四页，本课件共有51页8.3.1 高分子链的内旋转构象高分子链的内旋转构象8.3.1 The conformation of chain构象构象：由于单键（：由于单键（键）的内旋转，而产生的分子在空间的不同形态。它键）的内旋转，而产生的分子在空间的不同形态。它是不稳定的，分子热运动即能使其构象发生改变是不稳定的，分子热运动即能使其构象发生改变Conformation:the different form of molecules in space by inner eddy of single bond(bond)构型：分子中由化学键所固定的原子在空间的排列。它是稳定的，构型：分子中由化学键所固定的原子在空间的排列。它是稳定的，要改变构型必需经化学键的断裂、重组。要改变构型必需经化学键的断裂、重组。Configuration:The arrangement of atom in macromolecules(fixed by bond)at space.It is stable and the bond will break or recombine if it want to change the configurtion第三十五页，本课件共有51页实际上碳原子上带有其他原子或基团。单键内旋转时，这些原子或基团充分接近，原子外层电子云之间产生排斥力，阻碍内旋转，从而产生内旋转势垒。势垒越大，内旋转越不自由，构象就会减少。自由结合链、自由旋转链、等效自由结合链（高斯链，链段）第三十六页，本课件共有51页乙烷分子的内旋转：乙烷分子的内旋转：the inner eddy of ethane molecules非键合的非键合的H原子之间的距离：原子之间的距离：2.262.372.4A the distance between non bond H 叠同式（顺式）叠同式（顺式）cis-交叉式（反式）交叉式（反式）trans-小分子的内旋转构象小分子的内旋转构象the inner eddy of small molecules第三十七页，本课件共有51页高分子链的内旋转高分子链的内旋转inner eddy of polymerPE PE 分子链分子链PE chain PE chain 旋转角旋转角 eddy angle：0 60、300 120、240 180 （顺式）（顺式）cis-（反式）（反式）trans-位垒位垒potential energy：大大 较小较小 较大较大 大大第三十八页，本课件共有51页PE分子链内旋转位能分布曲线分子链内旋转位能分布曲线the potential energy distributing of PE chain第三十九页，本课件共有51页PE分子链的构象分子链的构象the conformation of PE chainPE晶相分子链构象通常取晶相分子链构象通常取位能最低位能最低的反式的反式the conformation of PE chain:the mode of lowest the conformation of PE chain:the mode of lowest potential energy;trans-;indented chain分子主链呈锯齿型分子主链呈锯齿型锯齿型锯齿型（PE、PTFE等）等）indention chain(PE;PTFE etc.)第四十页，本课件共有51页8.3.2 高分子链的柔顺性及其表征高分子链的柔顺性及其表征8.3.2 the facility of chain and its token 柔顺性：柔顺性：由于内旋转而使高分子链表现不同程度卷曲的特性由于内旋转而使高分子链表现不同程度卷曲的特性 The facility:the curliness state of chain 原因：原因：单键的内旋转单键的内旋转 cause:the inner eddy of single bon 柔顺性好坏：柔顺性好坏：单键内旋转的难易单键内旋转的难易 是高分子链最重要的特性是高分子链最重要的特性 重要性重要性 是高聚物性能区别于低分子物的根本原因是高聚物性能区别于低分子物的根本原因 是决定高分子形态和高聚物性能的主要因素是决定高分子形态和高聚物性能的主要因素 Import:The facility is foremost nature,mostly factor that dominates the modality and properties第四十一页，本课件共有51页1静态柔顺性静态柔顺性 static state facility 高分子链在热力学平衡条件下的柔性高分子链在热力学平衡条件下的柔性 取决于两种构象间的位能差取决于两种构象间的位能差 大大 反式构象占优勢反式构象占优勢 高分子链较伸展高分子链较伸展 末端距大末端距大 柔顺性差柔顺性差 小小 反式与旁式构象数接近反式与旁式构象数接近 高分子链较卷曲高分子链较卷曲 末端距小末端距小 柔顺性好柔顺性好the static state facility is the facility of chain in thermodynamics balance state and rest with the potential energy difference between two conformation,increasing results in transtactic conformation increasing,extend of chain,increasing results in transtactic conformation increasing,extend of chain,end-to-end distance increasing and facility decreasing;decreasing results in that cistactic close to transtactic conformation decreasing results in that cistactic close to transtactic conformation increasing,curlling of chain,increasing,curlling of chain,end-to-en